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1) to a or to be To at of so do to be to In it to on 3) on it to to do a if r in in K, on to to *4/30/02 (ss)增程式电动汽车制动能回收系统设计 目录 摘要 . 3 . 4 第一章 绪论 . 5 1 1 引言 . 5 制动模式与能量的分析 . 6 动汽车制动能量转换与回收及需解决的问题 . 7 文主要内容 . 9 第二章 增程式电动汽车制动过程能量转换与动力学分析 . 10 动汽车制动过程能量转换 . 10 动过程的动力学分析 . 11 轮制动时的动力学分析 . 12 程式电动 汽车前后轴制动力分配 . 14 动能量的储能方式 . 15 化学储能式 . 15 动能量回收的约束条件 . 16 第三章 增程式电动汽车再生制动系统的结构 . 17 生制动系统的结构 . 17 生制动能量回收基本原理 . 18 生制动系统能量回收过程 . 19 第四章 增程式电动汽车再生制动系统控制策略研究 . 21 种再生制动控制策略介绍 . 21 联复合再生制动系统制动控制策略 . 21 联复合制动控制策略 . 22 行程制动控制策略 . 22 程式电动汽车再生制动控制逻辑 . 23 程式电动汽车再生制动系统控制策略研究 . 24 程式电动汽车制动力分配系数的确定 . 24 程式电动汽车制动力分配控制策略 . 27 于 制动能回收策略仿真及分析 . 29 功用与仿真原理 . 30 增程式电动汽车再生制动系统仿真平台 . 31 联复合制动控制策略研究 . 35 联复合制动控制策 略研究 . 38 行程制动控制策略研究 . 40 果分析 . 42 总结 . 43 致谢 . 44 参考文献 . 45 摘要 再生制动系统是电动汽车所特有的，它是增加汽车行驶里程的有效方法。其原理是在制动或减速过程中，在保证车辆制动性能的条件下，将车辆的动能通过带动电机发电，转化为电能储存在蓄电池中，实现能量 的回收，并同时产生车辆所需要的全部或部分制动力。 根据液压制动力矩是否 可控，将电动汽车的液压制动力矩和电机再生制动 力矩的分配方式分为液压制动力矩调节方式和电机力矩调节方式两种。前者通过调节液压制动力矩和电机制动力矩来满足整车制动需求，优先保证电机制动力矩达到最大值 ;后者液压制动力不做调整，在满足整车需求的范围内调节电 机再生制动力矩。 本文介绍了电动汽车及制动能量回收系统，对电动汽车的制动能量转换与回收过程进行阐述，并从动力学角度进行分析；最后选择了储能方式，并分析了电储能式制动再生能量回收的工作原理。根据以 上分析，提出三种制动能量回收方案 :串联复合制动策略、并联复合制动策略及空行程制动策略。主要分析三种制动能量回收方案：串 联复合制动策略、并联 复合制动策略及空行程制动策略的方案。利用 立了增程式电动汽车再生制动系统模型以进行不同条件下的仿真研究 ,试得到电动汽车一些动力性指标，以此为基础，通过 进行优缺点评价，并对其进行系统仿真分析，提出相关论点。 关键词 : 增程式 电动汽车 再生制动 一章 绪论 1 1 引言 汽车作为社会主要的交通工具之一，在社会进步和经济发展中起到了举足轻重的作用，但同时它也给社会带来了环境污染和能源短缺等严重问题，因此，节能和环保就成了现代汽车发展的主题。为了解决这两个难题，各国针对汽车节能和环保技术进行了大量的研究与开发，其中混合动力汽车（ 目前最适应 21 世纪汽车技术发展趋势的车型之一。 其电动车主要类型如下： “混合动力”车 （狭义），油主电副，没有油是跑不起来的。代表是丰田普锐斯。 “增程式”电动汽车，电主油副，电是主要驱动力。虽然只有油也可以跑，但一是油转成电才可以驱动，二是用油时车辆工作在次佳状态，因此说油是辅助（参见青主的文章）。 代表是通用 “插电式” （狭义）车，双主。两系统基本分离，只有油或只有电都可以跑。代表是比亚迪 “纯电动”车，只有电驱。代表是日产 我们知道，现阶段限制纯电动汽车发展的一个主要因素就是电池的质量尚未达到理想的实用要求。而“增程式”电动汽车则可以克服其中一些缺点。笔者的同事就正在从事这方面的学术研究，而通用竟然这么快就推出了实用的产品，真的是比较难得。设计一个 为辅助动力源进行运转，并且能够实现商业化量产，真正从事研究与设计的工程师都知道，这并不是一件容易的事情。 制动能量回收是指汽车减速或制动时 ,将其中一部分机械能 (动能 ) 转化为其他形式的能量 ,并加以再利用的技术。根据不同的储 能方式 ,制动能量回收主要有液压储能式、飞轮储能式和电储能式等 3种类型 ，电动汽车制动能量回收属于电储能式。其基本原理是 :通过具有可逆作用的发电机 /电动机来实现电能和汽车动能的转化。在汽车制动或减速时 ,发电机 / 电动机以发电机形式工作 ,汽车行驶的动能带动发电机将汽车动能转化为电能并储存在储能器 (蓄电池或超级电容器 ) 中；在汽车起动或加速时 ,发电机 /电动机以电动机形式工作 ,将储存在储能器中的电能转化为机械能给汽车。汽车能量回收系统的主要目的，就是使汽车行驶时的节能效果最佳，即尽可能多地回收汽车制动前的能量 (动能 或势能 )，在汽车起步或加速时，尽可能多地将系统储存的能量释放出来，使发动机的燃料消耗最小。从而改善汽车的能量利用效率 , 提高汽车续驶里程。有关研究表明 ,如果有效地回收制动能量 ,电动汽车大约可降低 15 %的能量消耗 ,其续驶里程将提高 10%30%。 在提高电动汽车性能中，改善能量的利用率十分必要车辆在减速或制动时，将其中一部分能量转化为电能的过程称为制动反馈。电动汽车采用电制动时，通过将驱动电机处于发电状态，使车辆产生制动力矩，同时利用所产生电能反充到蓄电池，从而有效地回收制动能量，延长行驶里程。电动汽车的 主要节能技术主要有 4 个： (a)发动机减小（ (b)高效工作区域控制； (c)制动能量回收； (d)消除怠速。因此，再生制动的研究对于增程式电动汽车节能效果的提高具有重要意义。 制动模式与能量的分析 电动汽车制动的方法可分为机械制动和电气制动两大类。制动方式应考虑机械制动与电气制动的结合，尽可能多的用回馈发电方式取代机械式制动。当电动汽车高速行驶时，其驱动电机一般是在恒功率状态下运行，驱动力矩与驱动电机的转速或车辆速度成反比。因此，恒功率下电机的转速越高，能量回收能力越低。当电动汽 车中低速时，由于制动能量回收的力矩通常保持在负荷状态，所以能量的回收能力随着车速降低而减小通过能量回馈，既可减少机械制动系统的损耗，又能提高整车能量的使用效率，达到节约能源和改善续驶里程的目的。 电动汽车制动可分为三种，对不同情况应用不同控制策略。 (I)紧急制动：应用于制动加速度大的过程，出于安全性考虑，应以机械制动为主，由车上的 ( )中轻度制动：应用于汽车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程电制动完成减速过程，机械制动完成停止过程。两种制动的过渡点由电机发电特性确 定应避免充电电流过大，或充电时间过长 皿 )下长坡时制动：应用于制动力要求不大时，可完全由电制动提供，充电特点为回馈电流小，充电时间长 在电动汽车上，并非所有机械能或制动能量都可再生，制动力从地面与轮胎表面传送到车轮与半轴。然后由再生错 4动控制进行制动力的分配，决定前后轮摩擦制动和再生制动的多少眦 1只有驱动轮上的制动能量可沿着与之相连接的驱动轴传送到能量存储系统，另一部分的制动能量将由车轮上的摩擦制动而以热的形式散失与大气中。同时，在制动能量回收的过程中，能量传送环节和能量存储系统的各部件也会造成能量 损失。在再生制动时，制动能量通过电动机转化为电能，而电动机吸收制动能量的能力依赖于电机速度，在其速度范围内。 并不是所有的制动能量都能够进行回收，在设计再生制动系统时只能在满足制动安全的前提下尽可能地回收制动能量。 图 量再生系统原理简图 动汽车制动能量转换与回收及需解决的问题 电动汽车根据其动力源不同可分为：纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车三种类型。 纯电动汽车（ 蓄电池供电，电机驱动行驶，可实现零排放，动力性、经济性、安全性和可靠性等达到或接近普通内燃汽车，续驶里程 能满足一般运行要求，同时具有低噪声、易维修、可利用低谷电以节能等优点，是未来理想的交通运输工具。纯电动汽车技术基本成熟，但在动力性能、续驶里程、制造成本和可靠性等方面还无法与内燃机汽车相比。作为动力源的各类型蓄电池 (主要镍镉型、铅酸型、镍锌型、锂离子型、钠镍型、钠硫型、镍氢型等 )不同程度地存在着成本高、寿命短、比能量低、比功率小、体积和重量大、充电时间长等问题。目前，还没有一种电池全面适合电动汽车，这使得蓄电池成为电动汽车发展和普及的瓶颈。此外，必须解决的关键技术及配套装置还有电机及其控制系统、充电站等。 其动力系统由动力电池系统、动力驱动系统、整车控制系统和辅助动力系统（ 成。由整车控制器完成运行控制策略。 电池组可由地面充电桩或车载充电器充电，发动机可采用燃油型或燃气型。整车运行模式可根据需要工作于纯电动模式、增程模式或混合动力模式（ 当工作于增程模式时，节油率随电池组容量增大无限接近纯电动汽车，是纯电动汽车的平稳过渡车型。由于低速扭矩大，高速运行平稳，刹车能量回收效率高，结构简单易维修，是一种特别适用于城市公交的纯电动客车。 增程式电动车由底盘与车体、电池组及电池管理系统、主驱动电 机及控制器、发动机及发电机系统、整车控制器、操作显示仪表及 载充电器或地面充电桩组成 . 增程式可以根据不同城市公交系统千变万化的运营环境，灵活变换以下三种工作模式，达到最佳节油效果： 1、纯电动工作模式： 采用充电桩充电，在电池容量范围内可纯电动模式运行，发动机不启动，只做非正常情况时的备用状态，达到了零排放，完全是一台纯电动汽车。 2、混合动力模式： 无需充电即可长期运行，操作完全同传统燃油车，只起到启动助力和刹车能量回收作用，发动机在最佳状态输出平均功率，节油率在 20右。 3、插电 式工作模式： 晚上充电桩充电，白天有计划使用电池能量，减少燃油发动机动力，显著提高节油率，同时具有启动助力和刹车能量回收功能，节油率可达 50%以上。 增程式与纯电动相同点： 1、 动力由纯电能驱动，可以满足要求的动力性能。 2、 能纯电模式行驶，实现“零排放” 增程式与纯电动不同点： 纯电动： 1、电池的用量很大才能满足续驶里程。 2、电池深度 池使用寿命会有影响 3、必须建立大功率充电站或换电站 增程式： 1、电池用量小，续驶里程长，可与 2、电池可以浅度 ，电池寿命延长 3、不需建充电站即可运行，需要时建立小功率充电桩。 本文讨论的电动汽车回收的制动能量要转化为蓄电池储存的电能。该储能方式存在功率密度低 ,充放电频率小 ,不能迅速转化所吸收的大量能量的缺点 ,而车辆在制动或起动时 ,需要迅速得到或释放大量能量 ,这使储能蓄电池的应用受到很大限制。现在 ,各国技术人员加紧研制大容量、高性能蓄电池 ,从而为蓄电池储能提供应用基础。目前超级大电容蓄电池的出现可望对制动能量回收的棘手问题有一定的解决。 但是 ,对于电动汽车而言 ,更重要的是对蓄电池充电 ,而在电动汽车制动期间所产生 的电流很容易达到较高的值 ,在约几百 这比蓄电池所能吸收的充电电流大得多。对于在这类场合所普遍使用的大多数蓄电池来说 ,最大充电电流的强度通常是蓄电池能产生之电流强度的十分之一左右。 结果 ,在蓄电池充电不足的情况下 ,电制动期间产生的电能就会使蓄电池不适当地充电 ,这样会损害蓄电池并大大减少其预期寿命。此外 ,当蓄电池接近其最大充电量时 ,电制动期间所产生的电能就会使蓄电池过度充电 ,这会导致蓄电池电极上的电压将大致等于充电电路所输送的电压 ,导致限制或抑制电流在蓄电池中循环 ,大大降低甚至消失电制动效果。 因此 ,在对蓄电池充电的过程中 ,若能对制动能量加以调节 ,则有助于改善充电的效果 ,也能提高蓄电池的使用寿命。此外 ,从经济性方面考虑 ,这样做会增加电动汽车的成本 ,对电动汽车的市场竞争力无疑会产生影响。就国内来说，虽然国内各汽车厂商、科研院都在这一方面进行了研究，也取得了一定成果，但由于混合动力电动汽车的研究尚处于起步阶段，因此再生制动这一关键技术也显得相对薄弱，有关的技术研究文献资料很少，基本处于起步阶段。目前国内再生制动技术主要面临如何提高汽车制动稳定性和能量回收有限等一些问题，关于这方面的研究还需要更进一步的深入 研究。 文主要内容 再生制动系统是电动汽车所特有的，它是增加汽车行驶里程的有效方法。其原理是在制动或减速过程中，在保证车辆制动性能的条件下，将车辆的动能通过带动电机发电，转化为电能储存在蓄电池中，实现能量的回收，并同时产生车辆所需要的全部或部分制动力。 根据液压制动力矩是否 可控，将电动汽车的液压制动力矩和电机再生制动 力矩的分配方式分为液压制动力矩调节方式和电机力矩调节方式两种。前者通过调节液压制动力矩和电机制动力矩来满足整车制动需求，优先保证电机制动力矩达到最大值 ;后者液压制动力不做调整，在满足整 车需求的范围内调节电 机再生制动力矩。 本文介绍了电动汽车及制动能量回收系统，对电动汽车的制动能量转换与回收过程进行阐述，并从动力学角度进行分析；最后选择了储能方式，并分析了电储能式制动再生能量回收的工作原理。根据以上分析，提出三种制动能量回收方案 :串联复合制动策略、并联复合制动策略及空行程制动策略。本文主要分析三种制动能量回收方案：串 联复合制动策略、并联 复合制动策略及空行程制动策略的方案。通过 件结合 试得到电动汽车一些动力性指标，以此为基础，通过对汽车制动模式及 其产生的能量进行分析，并进行优缺点评价，并对其进行系统仿真分析，提出相关论点。 第二章 增程式电动汽车制动过程能量转换与动力学分析 动汽车制动过程能量转换 汽车以初始车速0若忽略汽车的传动系统阻力和坡道阻力 ,其能量转换关系为： 2021 2121式中 ,滚动阻力和空气阻力所消耗的能量无法加以回收利用。制动力一般由机械摩擦制动力和电机再生制动力两部分组成 ,摩擦制动力做功是将汽车的动能转变为 热能 ,逸散于大气中而无法 加以利用 ,只有再生制动力所做的功才能被利用。通常汽车制动过程可以分为紧急制动、正常制动、下长坡缓制动等 3类。 (1) 紧急制动。一般汽车紧急制动对应的制 动减速度往往大于2/些情况下 ,甚至能达到2/87 安全角度考虑 ,紧 急制动时应以机械摩擦制动为主 ,电机制动也发挥作用 ,但由于紧急制动过程非常短 ,因此能够回收的制动能量比较少。另外根据对汽车行驶工况的调查统计结果 ,紧急制动出现的机会很少。 (2) 正常制动。该制动过程可分为减速过程与停止过程 ,其中减速过程对应的制动减速度小于2/3 要由电机再生制动发挥作用 ,使汽车减 速的同时再生制动能 ,停止过程主要由摩擦制动完成。因此正常制动能够回收的制动能量较多。 该制动过程应以机械为主电刹车同时作用在急刹车时可根据初始速度的不同由车上 (3) 下长坡缓制动。汽车长下坡一般发生在盘山公路下缓坡时 ,在制动力要求不大时 ,可完全由电机再生制动提供。因此这部分制动能量也可以回收 ,但回收能量较小。因此 ,为了提高电动汽车的能量利用率 ,在制动过程中应尽可能多的让电机再生制动力发挥作用 ,最大限度地回收所有除空气阻力和滚动阻力以外的能量。此外 ,由于汽车在制动过程中 ,前轴荷 增加而后轴荷减少 ,故采用前驱动可以增大整车制动能量回收潜力。 根据制动车速与制动时间的不同，对电动汽车制动的上述三种情况应采用不同的控制策略。 动过程的动力学分析 在制动过程中能量的传递途径如图 其中差速器与变速箱可统称为机械传动部分。 根据汽车动力学理论汽车理论相关知识 得到作用于车轮上驱动力合力(2其中 2简化为 根据上述分析制动相关方程及推导如下车 轮负载功率 )( 其中 输入机械传动系统的瞬时功率1 2电刹车开始时车体动能 200 2/1 电刹车结束时车体动能1为 : 1/其中1为制动结束车速能量消耗10 根据能量守恒有： 设 输入的发动机瞬时功率 12其中为电机转矩，为电机角速度 输入蓄电池的瞬时功率3为： 11222其中2车轮 / 载荷 差速器 变速器 电动机 / 发电机 蓄电 池组 图 量传递路径 回收能量功率423K其中3为电池充电效率 回收总能 123112344(2汽车的速度 )(04(2充电电流 b / 1234 其中针对某次刹车过程因为0v、1为定值所以E也为定值对特定车型来说其机械传动部分的效超过 20s)大电流 (可达 100A)充电其充电效率3 间 取 决 于 制 动 力 的 大 小 由 以 上 分 析 可 知 一 次 刹 车 回 收 能 量)(1234 f如果电池状态 (包括放电深度初始充电电流强度 )允许回收能量只与发电机发电效 率和制动距离有关在满足制动时间要求的前提下通过调节电机制动转矩可以控制电机转速从而控制回收充电电流值。 轮制动时的动力学分析 汽车在行驶过程中只有受到与行驶方向相反的力才能达到制动的目的。而实际上，汽车行驶过程中受到与行驶方向相反的力除了前面提到的滚动阻力、空气阻力、坡道阻力等以外，还有制动系统提供的整车制动力。在整车制动力动力学分析中一般忽略各种被动阻力的影响，主要考虑汽车制动系统产生的制动力。 汽车制动过程中主要受三个力的影响，它们分别是地面制动力、制动器制动力和地面附着力。 图 轮制动受力分析 如图 示为在良好的硬路面上制动时车轮的受力情况。其中， 位为 N*m； 地面制动力，单位为 N； W 为车轮垂直载荷、 为车轴对车轮的推力、 F z 为地面对车轮的法向反作用力，它们的单位均为 N。由力矩平衡可以得到，地面制动力为： (2式中： r 为车轮半径（ m）。 地面制动力是使汽车制动减速行驶的外力，但是地面制 动力取决于两个摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩片与制动鼓或制动盘间的摩擦力，一个是轮胎与地面间的摩擦力 附着力。 制动器制动力： 由上式可知，制动器制动力仅由制动器结构参数决定，即取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦因数以及车轮半径，并与制动踏板力，即制动系的液压或空气压力成正比。 制动时，若只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑两种状况，当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与 轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随踏板力增长成正比地增长，如图 示。但地面制动力是滑动摩擦的约束反力，它的值不能超过附着力，即： 图 动过程中地面制动力、制动器制动力及附着力的关系 由此可见，汽车制动过程中的地面制动力取决于制动器的制动力，但同时受地面附着条件的限制。如果汽车制动器能提供足够高的制动力而地面与轮胎之间的附着系数又足够高时，汽车就能获得足够大的地面制动力。 程式电动 汽车前后 轴制动力分配 由第一章可知，再生制动系统能量并不是都能被回收，只有驱动轴上的制动能量才能够被电机回收，因此混合动力汽车前后轴制动力分配直接影响着再生制动系统能量回收的效率，为了增加回收能量，需要合理地对前后轴的制动力进行分配，并以此为依据，制定出合理的制动力控制策略。 增程式电动汽车在制动过程中控制电动机发电，通过动力传动系统对车轮产生阻力转矩，从而可以在整车制动的同时，通过发电机把整车动能转换成电能储存在能量储存装置 (比如蓄电池组 )中，实现整车能量回收。因此，混合动力 汽车整车制动力为前后 轮液压制动力和电机再生制动力之和。 不计滚动阻力和减速时的惯性力、惯性力偶矩时，混合动力汽车的制动过程可由式（ 2示： 本文研究对象为增程式汽车，选前轴为驱动轴，它的制动力分配可由 下图表示： 图 程式电动汽车制动力分配关系 其中再生制动力为电机发电时的制动转矩通过动力传动系统传递到驱动轮处的制动力，即电机再生制动力，其值可由式（ 2得： 式中： 电机制动转矩在车轮处产生的制动力（ N）； 变速箱传动比； 主减速传动比； T m 电 机制动转矩（ m 电机发电效率； g 变速箱 ;传动效率； 0 主减速传动效率； 发动机影响修正系数， f ( e ) ； 蓄电池影响修正系数， =f( 因此，在进行增程式电动汽车的制动力分配时，除了考虑制动器制动力和路面附着条件外，还应考虑到电机再生制动能力的大小和蓄电池的承受能力以及传动系结构的影响。 动能量的储能方式 目前制动能量回收的途径主要有 3 种 :一是机械蓄能法 ,即利用飞轮进行蓄能 ,将制动能转化为飞轮的动能 ;二是液压蓄能法 ,即把制动能转变为高压油贮存在液压缸中 ;三是蓄电池蓄能法 ,即把能量转化为电能储存在蓄电池中。在此，讨论的是电动汽车，汽车所用的能量部分或全部来源于蓄电池，因此采用蓄电池储能法。 化学储能式 电储能工作原理是：首先将电动汽车在制动或减速过程中的动能，通过发电机转化为电能并以化学能的形式储存在储能器中；当汽车需要启动或加速时，再将存储在储能器中的化学能通过电动机转化为汽车行驶的动能。储能器可采用蓄电池或超级电容，由发电机 /电动机执行机械能和电能之间的转化。系统还应包括一个电子控制单元即 以 控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并且保证蓄电池的剩余电量在规定的合适范围内，其工作原理如图 2所示： 系统工作过程为：当电动汽车以恒定的速度或加速度行驶时，电磁离合器脱开。当电动汽车制动时，行车制动系统开始工作，车辆减速制动，电磁离合器结合从而接通驱动轴和变速器的输出轴。这样车辆的动能由输出轴、离合器、驱动轴、驱动轮、被驱动轮和被驱动轴传到发电机和或飞轮上。制动时的机械能由发电机转变为电能，整流后存入到蓄电池之中。当离合器在分离时，传动飞轮上的制动能驱动发电机产生电能存入蓄电池中。当车辆再次起动时，蓄电池 中的化学能被转换成机械能用来加速车辆。 在纯电动汽车或混合动力车上采用这种形式的能量再生，一般采用的办法是在制动或减速时将驱动电机转化为发电机即可实现。 动能量回收的约束条件 实用的能量回收系统要满足以下方面的要求 （ 1）满足刹车的安全要求符合驾驶时的刹车习惯 刹车过程中对安全的要求是第一位的我们需要找到电刹车和机械刹车的最佳结合点在确保安全的前提下尽可能多的回收能量应充分考虑电动汽车的驾驶员和乘客的感受具有能量回收系统的电动汽车的刹车过程应尽可能的与传统的刹车过程近似这将保证在实际应用中系统可 以为大众所接受。 （ 2）考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力 电动汽车中常用的是永磁直流电机和感应异步电机应针对不同的电机的发电效率特性采取相应的控制手段。 （ 3）确保电池组在充电过程中的安全防止过充 电动汽车中常用的电池为镍氢电池鋰电池和铅酸电池应深入考察不同电池的充放电特性避免充电电流过大或充电时间过长。 由以上分析能量回收的约束条件包括： (a)根据电池放电深度即电池的荷电状态 f 不同电池可接收的最大充电电流。 (b)电池可接收的最大充电时间。 (c)制动能量回收 的策略的选择问题。 驱动轮（轴） 发电机 电动机 能量转换 能量储存 输入机械能 输出机械能 储能器 输出电能 输入电能 图 储能式制动能量再生系统原理图 第三章 增程式电动汽车再生制动系统的结构 生制动系统的结构 增程式式电动汽车动力系统结构中发动机带动发电机发电，电能通过功率转换器给蓄电池充电或者直接供给电动机驱动汽车，发动机作为辅助动力装置以延长汽车的续驶里程。该结构优点是结构简单，发动机发电机组与传动系无机械连接，在车上的布置比较灵活；另外，发动机受行驶工况的影响小，比较容易控制在高效区稳定工作。缺点是在热能一电能一机械能之间的转换过程中，总效率低于内燃机汽车，整个系统体积大，质量重。 图 增程式电 动汽车的结构简图 对于再生制动系统来说，再生制动力与液压制动力之间的协调是问题的关键所在，而且，其设计应该考虑如下特殊要求： （ 1） 为了使驾驶员在制动时有一种平顺感，液压制动力矩应该可以根据再生制动力矩的变化进行控制，最终使驾驶员获得所希望的总力矩。同时，液压制动的控制不应引起制动踏板的冲击，因而不会给驾驶员一种不正常的感觉。 （ 2） 为了使车辆能够稳定地制动，前后车轮上的制动力必须很好地平衡分配。此外，为了防止汽车发生滑移，加在前后轮上的最大制动力应该低于允许的最大值 (主要由路面附着系数决定 )。 踩下制动踏板后，再生制动控制器与电动机控制器协同工作，确定电动汽 车上的再生制动力矩和前后轮上的液压制动力矩。电动泵使制动管路增压，产 生所需的液压制动力。再生制动时，再生制动控制回收再生制动能量并反充到 蓄电池中，电动模式下工作时，蓄电池中的电能亦可以通过电机控制器输出到 电机，蓄电池和电机之间的连接为一个双向的交互。电动汽车上的 其控制阀的作用与传统燃油车上的相同，其作用是保证产生的液压制动力不会让车轮发生抱死现象。 节机构有两个高压蓄能器和两个低压蓄能器，其中高压蓄能器在保压 模式下能蓄存从液压泵传过来的高压制动液，低压蓄能器主要是为了减小在增减压工作模式切换时产生的压力波动，这种波动现象在车轮发生抱死现象时尤为明显。 图 再生制动系统结构图 为了实现上述要求，本文增程式电动汽车再生 液压复式制动系统的结构设 计如图 示。与传统燃油车相比，该套再生制动系统在液压制动系统的基 础上新增了再生制动控制器、电机控制器、蓄电池、电机和 制器，在每个车轮上还分别安装了轮速传感器以测量车轮转速。 踩下制动踏板后，再生制动控制器与电动机控制器协同工作 ，确定电动汽 车上的再生制动力矩和前后轮上的液压制动力矩。电动泵使制动管路增压，产 生所需的液压制动力。再生制动时，再生制动控制回收再生制动能量并反充到 蓄电池中，电动模式下工作时，蓄电池中的电能亦可以通过电机控制器输出到 电机，蓄电池和电机之间的连接为一个双向的交互。电动汽车上的 其控制阀的作用与传统燃油车上的相同，其作用是保证产生的液压制动力不会让车轮发生抱死现象。 节机构有两个高压蓄能器和两个低压蓄能器，其中高压蓄能器在保压模式下能蓄存从液压泵传过来的高压制动液，低压蓄能器主要是为了减小在增减压工作模式切换时产生的压力波动，这种波动现象在车轮发生抱死现象时尤为明显。 生制动能量回收基本原理 所谓能量回馈，即电动机工作于再生制动模式，如图 示：工作时，首先将电机电枢驱动电流断开，电枢两端接入一个开关电路，并使其工作于高速通断状态。由于电机属感性器件，感应电势 E 与感应电流 I 有如下关系： 式中： L 为电机电枢的电感。 当开关闭合时，电机感应电势引起的感应电流经开关 K 形成回路，感应电流即为制动电 流，有： 式中： 电枢电阻； 制 动限流电阻； 制动电流； E 为感应电势。 图 量回收原理图 当开关 K 断开时， |dI/速上升，导致感应电势 E 迅速上升，直到 EU 时，实现能量反馈，回馈电流为制动电流 式中： 为电流回馈电路的等效电阻。 生制动系统能量回收过程 增程式电动汽车制动时，按照车速的高低制动能转变为电能可分为两种工况： 一是高速制动工况，即汽车下坡时带动电机做发电运行，当电机转速高于理想空载转速 20%以上时，不需经功率转换器的升压作用，其输出电压就高于蓄电池端电 压，从而向蓄电池充电。与此同时，产生的电磁力矩对汽车起制动作用。 另一工况为低速制动工况，即电机转速低于理想空载转速时发生的电制动。它需要利用电机功率转换器的升压作用使电机产生的反电动势大于蓄电池端电压，以便向蓄电池充电。 电动汽车上常用的电机包括鼠笼异步电机和永磁同步电机，永磁同步电机中永磁无刷直流电机最大优点就是去掉了传统直流电机中的换向器和电刷，由其引起的一系列问题也就都不存在了，另一个优点是由于矩形波电流和矩形波磁场的相互作用，在电流和反电势同时达到峰值时，能产生很大的电磁转矩，且散热好，提高了负 载密度和功率密度，转矩脉动较小。永磁电机最大弱点是磁钢的去磁现象以及换流时电磁转矩脉动较大，使系统的可靠性降低。 下面具体说明应用于三相永磁无刷直流电动机制动系统能量回收装置的工作过程，这和本文所用的交流感应电机原理基本相同。 三相永磁无刷直流电动机的某个 60电角度过程中的再生制动时电流流向如图 示。在此电角度范围内，只有 管调制，其它各功率管关闭。当 导通时，电流按图 虚线所示方向流动，电枢绕组通过向电池、电容器充电而释放电能。 图 、 B 相绕组蓄能 时的电流走向 图 、 B 相绕组释放能量时的电流走向 对于整个 360 的角度区域，各功率管导通顺序如表 3示。表 3，“ +”表示工作，“ -”表示关闭。通过表 3可连续完成能量回收功能。 表 3量回收工作过程 第四章 增程式电动汽车再生制动系统控制策略研究 制动力分配控制策略是再生制动系统的核心，它直接决定着能否在保证制 动稳定性和制动安全的前提下，尽可能多地回收制动能量，现在关于这方面的 研究主要也是基于几种典型的再生制动控制策略基础上衍生而来，接下来 本章 将以此为基础，制定出自己的控制策略。 根据液压制动力矩是否 可控，将电动汽车的液压制动力矩和电机再生制动 力矩的分配方式分为液压制动力矩调节方式和电机力矩调节方式两种。前者通过调节液压制动力矩和电机制动力矩来满足整车制动需求，优先保证电机制动力矩达到最大值 ;后者液压制动力不做调整，在满足整车需求的范围内调节电 机再生制动力矩。根据以上分析，提出三种制动能量回收方案 :串联复合制动策略、并联复合制动策略及空行程制动策略 ,并分析三种制动能量回收方案：串 联复合制动策略、并联 复合制动策略及空行程制动策略的方案。 种再生制动控制策略介绍 联复合再生制动系统制动控制策略 图 示为增程式电动汽车并联复合制动系统控制策略，其控制策略思想如下图： 图 并联复合制动系统控制策略图 该系统像传统的机械制动系统一样，在前后轴上的制动力是按固定比值分 配的。再生制动为前轴提供附加的制动力来满足总的制动力分配。前后轴上的 机械制动力都是与制动系主缸压力成正比的。电机提供的再生制动力是主缸液 压力的函数，因此也就是增程式电动汽车制动减速度的函数。 该制动控制策略实现较为简单，且无需对原 系统进行大的改动，在增程式电动汽车发展初期，这无疑是一种应用价值很高的控制策略。 联复合制动控制策略 该串联复合制动控制策略的目标是最大程度地回收制动能量，因此在进行制动力分配时，在不抱死的前提下尽量使再生制动力最大，以达到回收能量的目的。其控制策略思想如下图所示： 图 联复合制动力分配控制策略图 为防止在机电复合制动情况下，由于前轴再生制动力过大，从而导致前轴 过早于后轴抱死，附着利用率下降，该策略使机电复合制动区下边界线与 图中 。右边界限沿制动强度等于 图中 。 这种再生制动控制策略可以最大程度的回收制动能量，但是控制系统复杂且需要同时对电机制动力，摩擦制动力进行精确控制。制动稳定性不高，在路面附着系数变化时可能发生单个车轮先抱死的情况。 行程制动控制策略 该空行程制动控制策略和以上两种制动能量分配控制策略不同的是，它优先考虑制动时的安全，保证车辆能沿理想制动力分配曲线进行分配，在这个前提下再进行能量回收。其控制思想如下图所示： 图 行程制动力分配控制策略图 当控制系统得到驾驶员的减速度要求时，将根据制动电机的特性和车载电 池的 来决定驱动轴制动力由再生制动系统单独提供，还是由机械制动 系统和再生制动系统共同提供。 该制动控制策略在提供了最佳制动力分配的同时回收了制动能量，缺点是 控制系统较复杂，需对摩擦制动力精确控制，实现困难，而且回收的能量有限。 程式电动汽车再生制动控制逻辑 在制定制动力分配控制策略之前，有必要先了解制动能量回收的控制过程 和控制逻辑，其控制过程及控制逻辑如图 示。 再生制动系统进行能量回收时，首先踏板位置传感器会采集踏板行程信号，传感器输出一个电压信号，该电压信号将会转化成数字信号并输入给再生制动力控制单元，根据这个信号以及车速信号，控制单元根据控制策略进行相应的前后轴制动力分配，在此前轴为驱动轴，后轴上的制动力将全部由液压制动力提供，前轴上再进行摩擦制动力和再生制动力的分配，根据输入的电池 号以及电机当前转速信号，确定出当前所能提供的最大再生制动力，将该数值返回到再生制动模块，和所需求的再生制动力进行对比，在满足前轮不抱死的前提下，不超过电机最大制动 扭矩时尽量将制动力分配给电机，以满足获得最大制动能量的要求，如果电机的最大制动扭矩还不能满足驱动轮上制动需求，制动扭矩不足部分将由摩擦制动来补充。相应的控制信号将分别输入给执行器（制动缸电磁阀和电机），对其进行驱动以达到我们的制动目标。制动过程中，轮缸压力、车轮转速、车速、电池 机转速将被作为输入信号反馈回制动控制单元，进行闭环控制。本控制策略集成 能，根据车轮转速信号控制相应的制动缸电磁阀以防止车轮抱死。 图 生制动系统控制逻辑图 程式电动汽车再生制动系统控制策略研 究 程式电动汽车制动力分配系数的确定 因本文中增程式电动汽车为前轴驱动，可在前轴加入电机制动力，因此，该 制动系统制动力分配存在以下关系： 为了让增程式电动汽车尽可能多回收能量，原则是尽量将制动力分配到驱动轴，在该车上也就是前轴，但是也有一定的限制，为了保证混合动力轿车的制动性能和制动稳定性，其前后轴制动力分配系数和传统汽车一样要满足相关制 动法规的规定，让前后轴制动力分配系数在一个合理的范围内。 为了保证制动安全，联合国欧洲经济委员会制定了 动法规，对